航海家 Voyagers(上)

美國航空太空總署(NASA)在1977年從佛羅里達州甘迺迪角發射兩艘太空船,航海家1號1和航海家2號2(Voyager 1 & Voyager 2) 迄今已經運行45年,創下人類製造的太空船航行紀錄,目前已經遠離地球240億公里,而且還不斷的傳回來外太空前所未知的畫面。它傳回地球的數據資料徹底改變了人們在行星天文學領域上的科學認知,並對於我們瞭解太陽系行星的起源和演化提供了線索,同時也引發了不曾想過的新問題。

 

「航海家計劃」 (Voyager Program

人類探索宇宙的奧妙自古以來從未間斷,天體運行的軌跡早就能精確的計算出來,由於火箭發射技術的成熟使得我們對鄰近行星實體探索變得可能。然而外圍行星實在太遙遠,就以當今科技言還是具有很大的挑戰,主要在礙於太空船的推進系統能力限制,大抵都要花上數十年的飛行才能抵達。太陽系中的八大行星繞著太陽以不同的週期軌跡在運行,行星間相對位置時遠時近,相對位置的特殊排列造成的天象在古代被解讀為異象。

1960年代,科學家們就已經在籌劃利用將在1970年代末到1980年代初出現的行星排列組合,進行木星(Jupiter)和土星(Saturn)的探測。這是每175年才會出現一次的機會,一次可以用最少的推進燃料,達到造訪除了木星和土星外,還有天王星(Uranus)及海王星(Neptune)的可能。主要是因為當太空船飛近第一顆行星即木星軌道時,利用木星的重力塲,將太空船加速並以弧行方向往外甩,加速後的太空船繼續朝向更遠的土星軌道飛去,因為經過精確的計算,當太空船接近土星軌道時,土星已經在附近等候著,此時太空船又利用土星的重力塲,將其加速並以弧行的方向往外甩向下一個行星軌道。利用這175年出現一次的機會,太空船可以用最少的推進燃料,造訪四個行星及/或(and / or)行星附近的衞星(moon)。

NASA的科學家們研究了一萬種可能的飛行路徑,最後選中兩條分別設定在航海家1號及2號的任務上。航海家1號的任務規劃是飛近木星及木星四大衞星之一的  -- 木衛一、又名艾奧(Io)。接著飛近土星以及其最大的衛星 -- 土衛六又名泰坦(Titan)。而航海家2號在造訪木星、土星之後繼續飛往天王星及海王星。航海家2號飛的軌跡較遠,速度較慢所以先發射於1977年8月20日升空,航海家1號超近路,16天後才升空,它花了一年半的時間抵達木星邊緣又再飛一年半才抵達土星。航海家2號花了一年十個月飛抵木星,花了四年的時間抵達土星, 九年半抵達天王星,十二年抵達海王星(參見下圖)。

來源:航海家 Voyagers利用星際間的重力場作為推進系統3

 

「航海家計劃」3是由NASA位於加州的噴氣推進實驗室4(Jet Propulsion Laboratory, JPL)所主持。航海家1號和2號是一模一樣的孿生兄弟,上面安裝有電視射影機、無綫電波收音機、紅外線及紫外線感應器、磁力計、等離子探測器、宇宙射線及帶電離子感應器,另外還有高功能的天線以及「放射性同位素熱電發電機」(Radioisotope Thermoelectric Generators, RTG)。由於航海家的飛行軌跡遠離太陽不適合利用太陽能板發電,只能靠這部小型的核能發電機(RTG)-- RTG是利用鈽(Plutonium)同位素自然放射性衰變所產生的熱能轉換成電力。一部航海家太空船裝有三部RTG提供470瓦的電力。另外兩艘太空船還帶上人類給外星生命的問候信息。信息是紀錄在一個12吋鍍金的留聲銅盤唱片上包括聲音和影像。所有紀錄在上面的信息是由康乃爾大學的卡爾·薩根(Carl Sagan)博士生前主持的委員會所選取的,包括115張圖像及各種不同的自然聲音,另外還加了來自不同時代,文化背景的音樂及55種不同語言的問候語(參見下圖)。

來源:航海家 Voyagers所配備的系統

 

探訪木星(Jupiter

木星(Jupiter)是太陽系體積最大的一顆行星,它是由岩石熔漿及冰岩組成其上氣體主要成分是氫氣及氦氣還有少量的甲烷,氨及水蒸氣。幾個世紀來有無數的天文學家利用望遠鏡研究這顆行星,然而航海家太空船所傳回來的資料還是震驚到他們。從動態影像上可以發現土星的緯度方向有多條彩色的寛帶,那是其大氣雲彩及風暴顕現出來活躍氣象。

來源:木星(Jupiter)

 

科學家認為木星有79顆衞星(moon),其中最大的四顆衞星是伽利略在1610年發現的,分別為木衞一、二、三、四。最讓科學家們驚奇的是在木衞一(艾奥, Io)衛星上火山噴發的景象,兩艘太空船共同見証到木衞一的九次火山噴發,其岩漿以每秒一公里的速度向上噴發並達到300公里高度。為什麼木衞一上的火山活動這麼頻繁,原因是它的軌跡受到隣近兩個衛星,木衛二(Europa)和木衛三(Ganymede)的擾動,再由木星拉回,這樣來回拉扯的運動在木衛一上形成潮汐鼓漲現象。航海家傳回木衞二的照片顯示其地貌出奇的平整。木衞三是太陽系中最大一顆衞星直徑為5,276公里比地球的一半再小一些,其地形大都是隕石坑及峽谷。木衞四有個非常古老巨大隕石坑,經過地質風化僅留下一些緩和的同心環型山脊。

來源:木星(Jupiter)的木衛一衛星|NASA

 

航海家1號更在土星外圍發現一條模糊充滿灰塵的環帶以及兩顆新發現的衞星(參見下圖)。木星有巨大磁場,其磁層隨著木星旋轉,當木星磁層掃過火山噴發頻繁的木衞一衞星時可以每秒帶走其一千公斤的物質,這些物質在木星外圍形成一環面,像一個甜甜圈形狀的離子雲,並放出紫外光而且當木星磁層掃過木衞一時會在其徑向兩端產生400,000伏特電壓,有3百萬安培的電流沿著磁場方向流向木星電離層。這是一個什麼樣的概念,假如3百萬安培的電流在這麼高的電壓傳送其五分鐘產生的電力超過台灣年總用電量。

來源:木星(Jupiter)的木衛三衛星

 

這一期我們介紹到這裡,下一期我們將繼續介紹航海家在土星、天王星、海王星的新發現以及其目前運行的狀況。

 

 

附註一

https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/旅行者1号

附註二

https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/旅行者2号

附註三、Voyager Program

https://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_program

附註四、Fact Sheet, The Voyager Planetary Mission by Jet Propulsion Laboratory, NASA.

https://voyager.jpl.nasa.gov/frequently-asked-questions/fact-sheet/

 

作者:

黃國華博士退休前在美國Huntsville的Troy7, Inc. 擔任總工程師(Chief Engineer),這家公司提供美國國防部飛彈防禦署(Missile Defense Agency, MDA)及NASA技術支援。黃博士有多年導航與控制(Guidance and Control)及彈道軌跡設計經驗,他全職支援MDA,並在靶彈部門的導彈軌跡組擔任組長。

王志强博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

 

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